Элементная база и устройство оптронов. Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость.
Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.
Функционально как элемент схемы оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.
Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления высокое быстродействие широта функциональных возможностей.
В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения. Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами диоды, транзисторы и т, п в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи l 0,7 0,9мкм. Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов.
Основные из них спектральное согласование с выбранным фотоприемником высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения преимущественная направленность излучения высокое быстродействие простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.
Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей - Миниатюрные лампочки накаливания Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон.
Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее в отдельных видах оптронов они могут находить применение Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка активированного медью, марганцем или другими присадками, взвешенные в полимеризующемся диэлектрике.
При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца горячими электронами. И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность особенно- тонкопленочные, сложны в управлении например, оптимальный режим для порошковых люминофоров 220 В при f 400 800Гц. Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.
Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод.
Это обусловлено следующими его достоинствами высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую узкий спектр излучения квазимонохроматичность широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами направленность излучения высокое быстродействие малые значения питающих напряжений и токов совместимость с транзисторами и интегральными схемами простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов высокая надежность и долговечность малые габариты технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.
Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие высокое значение показателя преломления nим высокое значение удельного сопротивления rим высокая критическая напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость Dqим раб хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия эластичность это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения механическая прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции технологичность удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах являются полимерные оптические клеи. Для них типично nим 1,4 1,6, rим 1012 1014 Ом см, Еим кр 80 кВ мм, Dqим раб - 60 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды 2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света.
Известно, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока частиц - квантов фотонов, энергия. каждого из которых определяется соотношением Eф hn hc nl 2.1 где h - постоянная Планка с - скорость света в вакууме n - показатель преломления полупроводника n, l - частота колебаний и длина волны оптического излучения.
Если плотность потока квантов т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу вpeмени равна Nф, то полная удельная мощность излучения составит Pф Nф Eф 2.2 и, как видно из 2.1 , при заданном Nф она тем больше, чем короче длина волны излучения.
Поскольку на практике заданной бывает Pф энергетическая облученность фотоприемника, то представляется полезным следующее соотношение Nф Pф Eф 51015 l Pф 2.3 Рис.2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника на примере тройного соединения GaAsP . где Nф, см-2с-1 l, мкм Pф, мВт см. Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов излучательная и безызлучательная рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации. Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния.
Основные материалы оптронных излучателей GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP относятся к прямозонным полупроводникам т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона рис.2.1 Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением lизл мкм 1,23 Eф эB 2.4 Следует отметить, Что имеются и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации. К числу важнейших из них относятся 1. Рекомбинация на глубоких центрах.
Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне уровень Et на рисунке 2.1 . 2. Оже-рекомбинация или ударная. При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочкой пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой. рис.2.2. Электрическая a и оптическая b модели светодиода.
A - оптически прозрачная часть кристалла B - активная часть кристалла C - непрозрачная часть кристалла D - омические контакты E - область объемного заряда.
Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения hint, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной излучательной и безызлучательной вероятности рекомбинации или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда. Значение hint является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде очевидно, что 0 hint100 . Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной излучающей области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р - n-переходом, смещенным в прямом направлении.
Полезной компонентной тока, поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной области диода, является ток электронов In рис.2.2,а, инжектируемых р - n-переходом.
К бесполезным компонентам прямого тока относятся 1. Дырочная составляющая Ip, обусловленная инжекцией дырок в n-область и отражающая тот факт, что р - n-переходов с односторонней инжекцией не бывает, Доля этого тока тем меньше чем сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью. 2. Ток рекомбинации безызлучательной в области объемного заряда р - n-перехода Iрек. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может быть заметной. 3. Туннельный ток Iтун, обусловленный просачиванием носителей заряда через потенциальный барьер.
Ток переносится основными носителями и вклада в излучательную рекомбинацию не дает. Туннельный ток тем больше, чем уже р - n-переход, он заметен при сильной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях. 4. Ток поверхностных утечек Iпов, обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или иных закорачивающих включений.
Эффективность р - n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции 2.5 Очевидно, что пределы возможного изменения g те же, что и у hint, т. е. 0 g 100 . При выводе излучения из области генерации имеют место следующие виды потерь энергии рис. 2.2,6 1. Потери на самопоглощение лучи 1 . Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле 2.4 , то она совпадает с красной границей поглощения см. ниже, и такое излучение быстро поглощается в толще полупроводника самопоглощение. В действительности, излучение в прямозонных полупроводниках идет не по приведенной выше идеальной, схеме.
Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше, чем по 2.4 2. Потери на полное внутреннее отражение лучи 2 .Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды полупроводник с оптически менее плотной воздух для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения. 3. Потери на обратное и торцевое излучение луч 3 и 4 . Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода Копт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла.
Так же, как и для коэффициентов hint и g, всегда выполняется условие 0 Копт 100 . Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода hext. Из сказанного ясно, что hext hint g Копт. Перейдем к приемному блоку.
Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного оптического излучения.
Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов как самого полупроводника, так и примеси. В соответствии с этим говорят о собственном беспримесном и примесном поглощении фотоэффекте. Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном.
Все используемые в оптронах фотоприемники работают на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений Eф1 hn1Ec-Ev 2.6 Eф2 hn2Ec-Et 2.7 Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения lгр lгр hc Ec-Ev 1.23 Eg 2.8 Второе равенство в 2.8 справедливо, если lгр выражено в микрометрах, а ширина запрещенной зоны полупроводника Eg - в электроновольтах.
Величину lгр называют длинноволновой или красной границей спектральной чувствительности материала. Интенсивность протекания фотоэффекта в той спектральной области, где он может существовать зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов.
Анализ экспериментальных зависимостей от показывает, что в интересной для оптронов спектральной области b 1. Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов фотопроводимости возрастание проводимости образца при засветке и фотовольтаического возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении. Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта.
Основные параметры и характеристики фотоприемников безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна максимальный и минимальный уровни мощности излучения.
К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке спектральная плотность чувствительности зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны собственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот разрешающее время быстродействие коэффициент качества комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом показатель линейности динамический диапазон.
Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием или отсутствием встроенного механизма усиления, видом и формой выходного сигнала. Прочие характеристики эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические - ничего специфически фотоприемното не содержат. В зависимости от характера выходного сигнала напряжение, ток говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S, измеряемых соответственно в В Вт или А Вт. Линейность или нелинейность фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным Uвых или Iвых Pф. При n1 фотоприемник линеен область значений Pф от Pф max до Pф min, в которой это выполняется, определяет динамический диапазон линейности фотоприемника, выражаемый обычно в децибелах 10 lg Pф max Pф min. Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная обнаружительная способность D, измеряемая в Вт-1мГц1 2. При известном значении D порог чувствительности минимальная фиксируемая мощность излучения определяется как Pф min D 2.9 где А - площадь фоточувствительной площадки - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов.
Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.
В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными.
Как правило, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров Pф min и D оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, утоплен в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл как правило, специально такого окна нет. Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.
Рис. 2.4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном а и фотовентильном б режимах работы диода. Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов с р - n-переходом и с р - i - n-структурой, в которых можно выделить n - подложку, базу n- или i-типа слабая проводимость n-типа и тонкий р -слой. При работе в фотодиодном режиме рис. 2.4,а приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р - n р - i -перехода при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.
Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р - n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р - i - n-диодах это разделение происходит в поле i-o6лaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р - n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона.
Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении рис. 2.4,а, однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.
Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант на рис. 2.4,а соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность 2.10 Второе равенство в 2.10 получено в предположении линейной зависимости Iф f Pф, а третье - при условии пренебрежения темновым током, что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется. Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р - n-перехода.
При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р - n-перехода. Создается некоторое новое равновесное для данного значения Pф состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС Uф. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Рэ. Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода Uxx и ток короткого замыкания Iкз рис. 2.4,б. Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую КПД Pэ APф aUxxIкз Apф 2.11 В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи. 3.